現(xiàn) 代 生 物 技 術(shù),一、生物技術(shù)的興起 二、基因工程及其應(yīng)用 三、克隆技術(shù),一、生物技術(shù)的興起,生命科學(xué)成為當(dāng)今世界自然科學(xué)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，主要由于兩方面的原因： （1）二十世紀(jì)后葉，分子生物學(xué)領(lǐng)域一系列突破性成就，使生命科學(xué)在自然科學(xué)中的地位發(fā)生了革命性的變化； （2）建立在實(shí)驗室研究基礎(chǔ)上的生物技術(shù)的發(fā)展為人類帶來了巨大的利益和財富。,21世紀(jì)生物技術(shù)將是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力,生物技術(shù)的顯著特點(diǎn)： 高技術(shù) 高效能 高投入和高利潤 高挑戰(zhàn)性,第一次技術(shù)革命 工業(yè)革命 解放人的雙手 第二次技術(shù)革命 信息技術(shù) 擴(kuò)展人的大腦 第三次技術(shù)革命 生物技術(shù) 改造生命本身,生物技術(shù)的定義,1982年，國際合作與發(fā)展組織的定義為： 生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠微生物、動物、植物體作為反應(yīng)器將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品為社會服務(wù)的技術(shù)。 美國政府技術(shù)顧問委員會(OAT) 的定義是： 應(yīng)用生物或來自生物體的物質(zhì)制造或改進(jìn)一種商品的技術(shù)，其還包括改良有重要經(jīng)濟(jì)價值的植物與動物和利用微生物改良環(huán)境的技術(shù)。,后一定義強(qiáng)調(diào)了生物技術(shù)的商品屬性。,3 生物技術(shù)的主要內(nèi)容,此外還有基因診斷與基因治療技術(shù)、克隆動物技術(shù)、生物芯片技術(shù)、生物材料技術(shù)、生物能源技術(shù)、利用生物降解環(huán)境中有毒有害化合物的技術(shù)。 直接相關(guān)聯(lián)的學(xué)科：分子生物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、化學(xué)工程學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等。 對人類和社會生活各方面影響最大的生物技術(shù)領(lǐng)域： 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、醫(yī)藥生物技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)、海洋生物技術(shù),基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)（酶）工程,二、基因工程及其應(yīng)用,基因工程是指：在微觀領(lǐng)域（分子水平）中，根據(jù)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)原理，設(shè)計并實(shí)施一項把一個生物體中有用的目的DNA(遺傳信息)轉(zhuǎn)入另一個生物體中，使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達(dá)所需要的產(chǎn)物，最終實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)價值。,1生命的核心基因,基因是DNA分子上具有遺傳功能的片段，它能控制生物的發(fā)育和代謝，并把遺傳信息傳遞給下一代。,基因工程又叫DNA重組技術(shù)，也叫遺傳工程。,2基因工程的基本原理與方法,以重組DNA操作為核心技術(shù)的過程，其目的、原理和步驟等類似于現(xiàn)代工程學(xué)科中的設(shè)計與施工過程,基因工程如何“施工”？,不同種類生物的生物特性不同，其基因工程在操作上和具體技術(shù)上必然有所差異。 技術(shù)核心-DNA的重組技術(shù) 即利用一系列的DNA限制性內(nèi)切酶、連接酶等分子手術(shù)工具，在某種生物DNA鏈上切下某個目標(biāo)基因或特殊的DNA片段，然后根據(jù)設(shè)計要求，將其接合到受體生物的DNA鏈上。, 基因工程的操作步驟, 獲得目標(biāo)基因（切） 從生物有機(jī)體復(fù)雜的基因組中分離出帶有目標(biāo)基因的DNA片段；, 形成重組DNA分子（接） 在體外將帶有目標(biāo)基因的DNA片段與載體分子連接, 將重組DNA分子引入到受體細(xì)胞（轉(zhuǎn)）, 對獲得目標(biāo)基因的細(xì)胞或生物體通過發(fā)酵、細(xì)胞培養(yǎng)養(yǎng)殖或栽培等，最終獲得所需要的遺傳性狀或表達(dá)出所需要的產(chǎn)物, 帶有重組體的受體細(xì)胞擴(kuò)增（增） 鑒定并篩選出具有重組DNA分子的細(xì)胞（檢）,遺傳性狀,產(chǎn)物,按照人們設(shè)計的藍(lán)圖，將不同生物體內(nèi)控制性狀的基因進(jìn)行優(yōu)化重組，并使其穩(wěn)定遺傳和表達(dá)。, 基因工程的應(yīng)用,生命科學(xué)定向改造生物的時代,1 在生命科學(xué)基礎(chǔ)理論研究中的應(yīng)用,2 在農(nóng)、林、牧、漁業(yè)中應(yīng)用,3 在工業(yè)中應(yīng)用, 超越了生物王國種屬界限, 簡化了生物物種的進(jìn)化程序, 加快了生物物種的進(jìn)化速度,4 其他領(lǐng)域（醫(yī)學(xué)、法學(xué)）,1 在生命科學(xué)基礎(chǔ)理論研究中的應(yīng)用, 發(fā)育生物學(xué), 神經(jīng)生物學(xué), 人類基因組計劃, 分子生物學(xué)領(lǐng)域,癌基因（上百種） 抑癌基因（20多種）,細(xì)胞增殖調(diào)控的,正 負(fù),信號,受精過程、從受精卵個體的發(fā)育過程，基因表達(dá)的調(diào)控。,研究腦組織不同功能區(qū)的mRNA的分布，最終將在分子水平上揭示腦思維、記憶功能的機(jī)制。,基因信息庫,基因性狀,發(fā)現(xiàn),FOXP2,2 在農(nóng)、林、牧、漁業(yè)中應(yīng)用, 轉(zhuǎn)基因動物, 為動物基因工程育種提供了新途徑, 以乳腺作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)各種藥用蛋白,轉(zhuǎn)基因魚,目標(biāo)基因：生長激素、抗凍蛋白,轉(zhuǎn)基因牛、羊,轉(zhuǎn)基因豬, 為人類提供血液、器官,改變?nèi)槠返某煞? 轉(zhuǎn)基因植物, 提高抗性, 改良品質(zhì),抗蟲、抗病毒、抗除草劑、抗逆,增加：蛋白質(zhì)、必需氨基酸、維生素 改良：油料作物中的脂肪酸成分、口味、 成熟度,抗蟲,Bt毒蛋白基因抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花,抗病毒,導(dǎo)入病毒外殼蛋白基因,安全性差,用反義RNA阻斷病毒基因表達(dá), 提高農(nóng)作物產(chǎn)量,高光合效率的基因,20,協(xié)生,異源包殼,重組,轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物,3 在工業(yè)中應(yīng)用,通過DNA重組技術(shù)改變和設(shè)計微生物的遺傳組成,在醫(yī)藥工業(yè)：利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改造大腸桿菌，使其為人類大量生產(chǎn)藥物，例： 生產(chǎn)胰島素,應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)超級工程菌,在釀造業(yè)：改造釀酒的酵母菌使其成為既能分解纖維素成葡萄糖，又能利用葡萄糖釀酒。, 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,基因工程應(yīng)用的熱點(diǎn),指以患者DNA和RNA為診斷材料，通過檢查基因的存在、缺陷或表達(dá)異常，對人體狀態(tài)和疾病作出診斷的方法和過程。, 基因診斷,遺傳病的基因診斷：在產(chǎn)前通過檢查羊水或絨毛膜等組織中的DNA，對將來發(fā)生的疾病作出準(zhǔn)確的判斷,一切通過基因水平的操作而達(dá)到治療疾病目的的療法。, 基因治療,4 其他領(lǐng)域,重癥聯(lián)合免疫缺陷 SCID,SCID患者只能生活在人工無菌環(huán)境中,一個常染色體上編碼腺苷脫氨酶(ADA)的基因(ada)發(fā)生了突變使T細(xì)胞和B細(xì)胞的發(fā)育停滯在前T、前B階段,1990年美研究人員對4歲的SCID患兒實(shí)施基因治療,三年后其體內(nèi)T細(xì)胞中50可以表達(dá),腺苷脫氨酶,DNA指紋技術(shù),2 法學(xué)領(lǐng)域,收集DNA,必要時將DNA擴(kuò)增,將DNA切成片段并電泳,比較DNA片段,犯罪現(xiàn)場,1 克隆的基本概念,動物,Clone,無性繁殖系,形成無性繁殖系的過程或方法,名詞,動詞,天然 個體克隆,植物,不需要生殖細(xì)胞參與,從同一個個體經(jīng)無性繁殖而來的、具有與母體完全相同的遺傳基因的后代，以及由這些后代所組成的群體。,克隆的本質(zhì)特征,生物個體在遺傳組成上的完全一致性,卵細(xì)胞,體細(xì)胞,是人參與的 和 共同作用的過程,動物個體克隆：,三 克隆技術(shù)及應(yīng)用,克隆,核移植,核移植目的：,研究異種（細(xì)胞）核、（細(xì)胞）質(zhì)之間遺傳相 互關(guān)系,探討已分化細(xì)胞核的遺傳全能性,1997年2月自然雜志報道： 英國PPL生物技術(shù)公司羅斯林研究所的威爾默特研究小組用6歲雌性綿羊的乳腺細(xì)胞的核克隆出一只雌性綿羊“多利”,動物的每一個體細(xì)胞都攜有該生物的全套遺傳物質(zhì)并都有可能發(fā)育成一個正常個體的潛能。,動物細(xì)胞的全能性,2、克隆的基本程序, 供體細(xì)胞核的白色芬蘭多塞特母綿羊, 供去核卵細(xì)胞的蘇格蘭黑面母綿羊, 細(xì)胞核移植, 胚胎培養(yǎng)與移植,脫分化,芬蘭母羊的乳腺細(xì)胞,蘇格蘭黑面母羊的卵細(xì)胞,營養(yǎng)限制性培養(yǎng),1996年7月5日多利出世 1997年2月23日公布于眾 1998年4月多利產(chǎn)下第一胎小羊-邦尼 1999年多利一家又添三只羊?qū)殞?2002年1月5歲半的多利左后腿患了關(guān)節(jié)炎 2003年2月14日，多利因進(jìn)行性肺炎被處以“安樂死”,3 多利羊的一生：, 遺傳：多利并非與供核綿羊完全相同,證明：動物體細(xì)胞全能性,克隆的動物仍具有生育能力,從遺傳上和生理上考察多利, 生理：多利的實(shí)際年齡與生理年齡不一致,幾點(diǎn)說明:,（1）多利并不是與母體完全一樣的克隆 （2）即使是女性，也不可能復(fù)制出與自身心理完全一樣的個體 （3）通過體細(xì)胞克隆所得到的生物體與通過正常兩性生殖產(chǎn)生的生物體在生存能力上可能會存在差別,4 異種核質(zhì)關(guān)系研究：,人們一直認(rèn)為細(xì)胞核是決定細(xì)胞如何分化，產(chǎn)生后代的，細(xì)胞質(zhì)是受細(xì)胞核控制的。,科學(xué)研究表明： 細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞分化、個體發(fā)育、性狀遺傳方面的作用不容忽視,70年代末，人們以金魚為材料研究細(xì)胞質(zhì)中的核酸(RNA)與遺傳的關(guān)系,證明: 生物的性狀是細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核相互作用的結(jié)果。,33鯽金魚,22鯉金魚,金魚受精卵,mRNA,mRNA,實(shí)驗過程,任何一個高等動物的細(xì)胞或個體都有兩套獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)：一套是由細(xì)胞核里的全部基因所組成的遺傳系統(tǒng)，這是主要的遺傳系統(tǒng)，負(fù)責(zé)生物體結(jié)構(gòu)和細(xì)胞絕大部分的生命活動；另一套是由細(xì)胞質(zhì)里的線粒體和葉綠體的DNA所組成的細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)，植物的細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)有線粒體和葉綠體兩種，動物的細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)只有線粒體一種。 細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)與細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)有著密切的關(guān)系，但線粒體和葉綠體DNA上的基因是細(xì)胞核的染色體上所沒有的，因此，細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)的功能不能由細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)來代行。 由于動物的精子不為后代提供細(xì)胞質(zhì)，所以高等動物的線粒體是通過母系的細(xì)胞質(zhì)來遺傳的，即其后代的所有線粒體都來自于母親，與父親無關(guān)。,知識擴(kuò)展克隆狗與異體克隆,第一匹克隆馬,“父”：阿富汗獵犬 “母”：拉布拉多尋回獵犬,基因檢測的結(jié)果：與提供體細(xì)胞的阿富汗獵犬一樣,05年4月24日,Snuppy,Seoul National University,Puppy,克隆狗,異體克隆,大熊貓的體細(xì)胞,黑熊卵細(xì)胞,提供體細(xì)胞和卵細(xì)胞的動物分別為不同的物種,大熊貓,知識擴(kuò)展克隆狗與異體克隆,知識擴(kuò)展 生殖性克隆與治療性克隆,結(jié)合了“外來”遺傳物質(zhì)的卵子，在體外發(fā)育成囊胚，然后取出內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，進(jìn)而培養(yǎng)出胚胎干細(xì)胞用作治療目的,將結(jié)合了“外來”遺傳物質(zhì)的卵子放入子宮,生殖性克隆,治療性克隆,克隆技術(shù)應(yīng)用于人類,5 影響動物核移植成功的因素,、供體細(xì)胞核與受體卵子之間在分裂時相上的一致性,、卵子中一類叫促成熟因子的蛋白質(zhì)活性,、卵細(xì)胞中的各種發(fā)育信息對核移植能否成功起決定性作用,、供體細(xì)胞的分化程度對融合卵的正常發(fā)育也有重要影響,6 克隆技術(shù)的應(yīng)用價值,(1)、在植物方面,、保存和快速繁殖瀕危植物,、獲得更好的優(yōu)良品種,(2)、在動物方面,、有利于開展對動物生長、發(fā)育、衰老和健康等機(jī)理的研究,、有利于培養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良的家畜,、為珍貴瀕危動物的保護(hù)提供可供選擇的手段,植物、動物、人類自身,人體器官移植,數(shù)量有限,異體免疫排斥,用患者自身的 體細(xì)胞通過克隆獲得 用于移植的器官,問題,(3) 對人類自身的應(yīng)用價值,人體器官培育,治療性克隆,期待,只能來自異體,鮮活度差,死亡界定,腦死亡,呼吸和心跳停止,7 克隆對人類社會的負(fù)面影響,(1)、是否意味著人類也可以被成功的克?。?(2)、是否應(yīng)該允許進(jìn)行克隆人實(shí)驗？,倫理、道德,克隆人是否健康、是否引發(fā)基因突變,能克隆出正常的人嗎？,有人認(rèn)為能克隆出愛因斯坦那樣的科學(xué)巨人或希特勒那樣的戰(zhàn)爭狂人，你是如何看待的？,完,癌的發(fā)生是一個多次突變積累的復(fù)雜過程,牛泌乳基因,人tPA基因,從轉(zhuǎn)基因的羊奶中提取治療心臟病的藥物tPA,蛋白酶,轉(zhuǎn)基因西紅柿,DNA,互補(bǔ)DNA,mRNA,反義mRNA,蛋白酶,自然成熟,轉(zhuǎn)基因西紅柿,蛋白酶,乙烯,雙鏈mRNA,反義mRNA,抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花,T-DNA區(qū),工程菌,mRNA,cDNA,離心,液體成分,細(xì)胞,細(xì)胞培養(yǎng),鐮狀紅細(xì)胞貧血癥,GAA,GUA,谷氨酸,纈氨酸,T,A,限制性內(nèi)切酶Mst,進(jìn)行基因組型分析,A,T,生殖性克隆,培養(yǎng)出的胚胎干細(xì)胞用于治療目的,治療性克隆,成年 干細(xì)胞,北京時間2009年10月5日下午17時30分，2009年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎在瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院揭曉，三位美國科學(xué)家伊麗莎白布蘭克波恩(ElizabethH.Blackburn)、卡羅爾格雷德(Carol W. Greider)以及杰克紹斯塔克(JackW.Szostak)共同獲得該獎項。他們發(fā)現(xiàn)了由染色體根冠制造的端粒酶(telomerase)，這種染色體的自然脫落物將引發(fā)衰老和癌癥。,2008年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予德國科學(xué)家哈拉爾德楚爾豪森(HaraldzurHausen)和兩位法國科學(xué)家弗朗索瓦絲巴爾-西諾西(Fran?oiseBarr-Sinoussi)、呂克蒙塔尼(LucMontagnier)。他們分別在宮頸癌致病因和艾滋病病毒研究上有突出成就。2007年，美國猶他大學(xué)Eccles 人類遺傳學(xué)研究所科學(xué)家Mario R.Capecchi、美國北卡羅來納州大學(xué)教會山分校醫(yī)學(xué)院教授Oliver Smithies與英國科學(xué)家卡迪夫大學(xué)卡迪夫生命科學(xué)學(xué)院Martin J.Evans因干細(xì)胞研究獲得此獎項。2006年，美國科學(xué)家安德魯法爾和克雷格梅洛。他們發(fā)現(xiàn)了核糖核酸(RNA)干擾機(jī)制，這一機(jī)制已被廣泛用作研究基因功能的一種手段，并有望在未來幫助科學(xué)家開發(fā)出治療疾病的新療法。2005年，澳大利亞科學(xué)家巴里馬歇爾和羅賓沃倫。他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致人類罹患胃炎、胃潰瘍和十二指腸潰瘍的罪魁幽門螺桿菌，革命性地改變了世人對這些疾病的認(rèn)識。2004年，美國科學(xué)家理查德阿克塞爾和琳達(dá)巴克。他們在氣味受體和嗅覺系統(tǒng)組織方式研究中做出貢獻(xiàn)，揭示了人類嗅覺系統(tǒng)的奧秘。2003年，美國科學(xué)家保羅勞特布爾和英國科學(xué)家彼得曼斯菲爾德。他們在核磁共振成像技術(shù)上獲得關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)最終導(dǎo)致核磁共振成像儀的出現(xiàn)。2002年，英國科學(xué)家悉尼布雷內(nèi)、約翰蘇爾斯頓和美國科學(xué)家羅伯特霍維茨。他們?yōu)檠芯科鞴侔l(fā)育和程序性細(xì)胞死亡過程中的基因調(diào)節(jié)作用做出了重大貢獻(xiàn)。2001年，美國科學(xué)家利蘭哈特韋爾、英國科學(xué)家保羅納斯和蒂莫西亨特。他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致細(xì)胞分裂的關(guān)鍵性調(diào)節(jié)機(jī)制，這一發(fā)現(xiàn)為研究治療癌癥的新方法開辟了途徑。2000年，瑞典科學(xué)家阿爾維德卡爾松、美國科學(xué)家保羅格林加德和埃里克坎德爾。他們在研究腦細(xì)胞間信號的相互傳遞方面獲得了重要發(fā)現(xiàn)。,